Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке

Управление асинхронным двигателем (АД) в системах, ориентированных по полю машины, в большинстве случаев [1-3] осуществляется в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора. В пользу выбора именно этого вектора говорят следующие преимущества: функциональная схема такого электропривода имеет наименьшее число перекрестных связей, а выражение момента АД и скорости сравнительно просты. При этом наиболее просто осуществляется регулирование скорости при стабилизации потокосцепления ротора.

Общий принцип моделирования и построения таких систем управления АД заключается в том, что для этого используется система координат, постоянно ориентированная по направлению какого-либо вектора, определяющего электромагнитный момент. Тогда проекция этого вектора на другую ось координат и соответствующее ей слагаемое в выражении для электромагнитного момента равны нулю, и формально оно принимает вид, идентичный выражению для электромагнитного момента двигателя постоянного тока, пропорционального по величине току якоря и основному магнитному потоку.

Обобщенная модель машины, записанная в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора, выглядит следующим образом [4]:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 1

(1)

где

  • Rs, RrRs , Rr — активные сопротивления соответственно статора и ротора
  • Lr, Lm — полная индуктивность обмотки ротора, взаимная индуктивность
  • Тr — постоянная времени ротора
  • Ψrm — модуль потокосцепления ротора
  • isd, isq, Usd, Usq — токи напряжения статора соответственно по осям d, q
  • ωΨ, ωe — частота вращения вектора потокосцепления ротора и электрическая частота вращения ротора соответственно
  • рn — число пар полюсов
  • Ме — электромагнитный момент АД
Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 2

— эквивалентная индуктивность рассеяния двигателя

Проанализировав систему (1), можно сделать вывод о том, что составляющая вектора токов статора isd определяет, подобно двигателю постоянного тока с независимым возбуждением, магнитный поток машины, а составляющая isq, при неизменном значении потокосцепления ротора, создает электромагнитный момент АД. Поэтому в качестве источника питания, с точки зрения простоты организации управления моментом АД, был выбран регулируемый источник тока (РИТ). Тогда система (1) перепишется следующим образом [4]:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 3

(2)

где

  • Uzd, Uzq — сигналы задания намагничивающего и моментообразующего токов АД
  • kj— коэффициент усиления РИТ

Формирование напряжений, необходимых для обеспечения заданных значений намагничивающего и моментообразующего токов АД, представлено в следующем виде:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 4

(3)

Для формирования обратных связей по токам isd , isq и получения переменных составляющих вектора напряжения в неподвижных относительно статора осях α , β используются преобразователи координат, которые, в свою очередь, используют информацию об угловом положении ориентированной по полю системы координат (в данном случае используется косвенное ориентирование по полю):

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 5

(4)

АД в процессе моделирования был представлен системой уравнений обобщенной машины в осях а, Д поэтому составляющие напряжения, прикладываемые на статор, имеют вид:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 6

(5,а)

В свою очередь токи в обратных связях будут:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 7

(5,б)

При моделировании электромеханических процессов в АД рассматривались две системы: с регулированием частоты вращения и с регулированием электромагнитного момента АД. Использование регулятора частоты вращения в системе ориентированного по полю управления приводит, как будет показано ниже (рис. 1, 3), к зависимости электромагнитного момента от частоты вращения, или, что то же самое, момент АД будет стремиться повторить момент нагрузки для обеспечения лучшей стабилизации угловой скорости вращения вала.

Применение такого варианта структуры системы управления АД для машин с произвольной нагрузкой на рабочем органе неприемлемо, так как для этого типа нагрузок наиболее важным критерием является стабилизация электромагнитного момента: это ведет к увеличению долговечности механического канала электропривода.

Формирование задания на моментообразующий ток для САР скорости получаем из последнего уравнения системы (2):

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 8

(6)

где

  • ωZ, ω — заданная и текущая частота вращения вала
  • kт — коэффициент усиления регулятора скорости

Задание на намагничивающий ток получим, если рассмотрим первое уравнение системы (2) для установившегося режима:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 9

(7)

где

  • Ψrz, Ψr— соответственно заданное и текущее значение модуля потокосцепления ротора
  • kΨ — коэффициент усиления регулятора потокосцепления ротора

Обратная связь по потокосцеплению ротора в выражении (3), при соответствующей настройке регулятора, может обеспечить оптимальное, с точки зрения минимального энергопотребления, регулирование.

Применяя на практике описанный выше принцип управления, необходимо помнить, что при включении электропривода требуется разносить во времени процессы предварительного возбуждения и регулирование момента АД, так как в знаменатель формулы моментообразующего тока (6) входит текущее потокосцепление ротора.

Ниже представлены характеристики для САР скорости с различным временем предварительного возбуждения машины (рис. 1- 4).

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 10
Рис. 1 – Механические характеристики в САР скорости (время на возбуждение машины составляет 268,5 мс)
Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 11
Рис. 2 – Изменение модуля тока статора в САР скорости (время на возбуждение машины составляет 268,5 мс)
Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 12
Рис. 3 – Механические характеристики в САР скорости (время на возбуждение машины составляет 30 мс)
Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 13
Рис. 4 – Изменение модуля тока статора в САР скорости (время на возбуждение машины составляет 30 мс)

Как видно из рис. 2, 4 всплеск модуля тока статора с уменьшением времени на предварительное возбуждение увеличивается, что подтверждает вышесказанное, а также следует из физического смысла формулы момента АД (последняя формула системы (1)) для получения заданного значения момента требуется заданное значение потокосцепления ротора и заданное значение моментообразующего тока, следовательно, при меньшем значении потокосцепления ротора, необходимо большее значение тока. Также с уменьшением времени на возбуждение машины ухудшается форма момента в начальный период пуска, что показано на рис. 1, 3.

На рис. 5, 6 представлены характеристики для САР момента АД.

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 14
Рис. 5 – Механические характеристики в САР момента (время на возбуждение машины составляет 268,5мс)
Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 15
Рис. 6 – Изменение модуля тока статора в САР момента (время на возбуждение машины составляет 268,5 мс)

Процессы, связанные с изменением времени на предварительное возбуждение машины, остаются теми же, что и для САР скорости. Электромагнитный момент АД в процессе работы остается неизменным и равным заданному, а, так как регулятор скорости в этой системе отсутствует, то для разгона АД до заданной частоты вращения применяется отсечка по моменту. При переменном моменте нагрузки на валу двигателя, частота вращения АД также будет колебаться, что может привести либо к сильному увеличению угловой скорости вращения, либо к стопорению рабочего органа. Для того чтобы можно было избегать описанных явлений, необходимо задаваться пределами для изменения частоты вращения, в границах которых момент АД оставался бы постоянным. При превышении верхнего или нижнего предела изменения частоты вращения должно происходить соответствующее изменение величины электромагнитного момента. Описание данного алгоритма управления моментом требует отдельной статьи.

Сравнивая изменение модуля тока на рис. 2, 6, можно сделать вывод, что стабилизация момента в САР момента приводит также к стабилизации модуля тока статора.

Для моделирования режимов работы АД использовался двигатель марки 4А132М4:

  • Рном=11 кВт
  • In=21,53 А
  • Uфном= 380 В
  • Мном=54,1 Нм

Момент нагрузки на валу изменяется в соответствии с выражением:

Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке 16

(8)

Список литературы

  1. Blaschke F. Das prinzip der Feldorientierung die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Drehfeld- maschinen// Siemens Zeitschrift, 1971/ Bd. 45, — H. 10. — S. 757-760.
  2. Слежановский О. В. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. / Слежановский О. В., Дацковский Л. X., Кузнецов И. С. — М., Энерго- атомиздат, 1983. — 256 с.
  3. Рудаков В. В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением./ Рудаков В. В., Столяров И. М., Дартау В. А. — Л. Энергоатомиздат, 1985. — 136 с.
  4. Панкратов В. В. Векторное управление асинхронными электроприводами. / — Новосибирск, Изд-во НГТУ, 1999.-66 с.

Источник: Управление асинхронным двигателем в системах с ориентированием управляющего вектора по полю двигателя при произвольной нагрузке / П.Д. Гаврилов, А.А. Неверов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №2. — C. 16-19

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org